Nie raz na pewno miałeś do czynienia z sytuacją, w której na domowym spotkaniu z rodziną, musiałeś poczęstować spragnionych gości napojem. Część z nich na pewno wybierze kawę, inni herbatę. Ty natomiast stoisz nad tacą filiżanek i musisz nalać kawę tylko do kilku – i to tak, żeby ani kropla nie trafiła obok. Generalnie zadanie nie wydaje się bardzo skomplikowane, natomiast niewątpliwie wymagające – nie chcesz rozlać, nie chcesz „upaćkać” zastawy, raczej wolałbyś zrobić to w sposób bardzo schludny. W elektronice to codzienność. Tylko zamiast kawy mamy ciekłą cynę, a zamiast porcelany – PCB pełne komponentów SMD i THT. Tu właśnie wchodzi lutowanie selektywne – proces, który pozwala lutować tylko tam, gdzie naprawdę trzeba.

Partnerem artykułu jest firma Techbit

To technologia lutowania elementów przewlekanych (THT), za pomocą specjalnych urządzeń „CNC” działających w trzech osiach, w której cyna nakładana jest punktowo i precyzyjnie – zamiast zalewać całą płytkę jak w klasycznej fali lutowniczej. W procesie produkcyjnym lutowania selektywnego powinny brać udział trzy moduły:

1. Moduł nakładania topnika na wyprowadzenia złączy THT.
2. Moduł podgrzewania topnika, w którym następuje aktywacja topnika.
3. Moduł lutowania za pomocą dyszy z cyną.

Dzięki temu można lutować pojedyncze piny i złącza, omijając elementy SMD, inne elementy THT oraz elementy mechaniczne które są tuż obok. Przewagą lutowania selektywnego nad falą lutowniczą jest fakt iż może ono być wykonywane zarówno na powierzchni top jak i bottom płytki, z nałożonymi już i przylutowanymi we wcześniejszych procesach innymi komponentami.

Gdyby chcieć zobrazować różnicę pomiędzy selektywem a falą:

• fala lutownicza = szeroka szczotka malarska,
• lutowanie selektywne = cienki pędzel z końcówką 0,5 mm.

Lutowanie selektywne Źródło: własne

Są trzy główne podejścia:

1. Mini-fala (dip soldvring) – półautomatyczna metoda lutowania, w której płytkę drukowaną z elementami przewlekanymi (THT) zanurza się całą dolną stroną w kąpieli roztopionej cyny. 

2. Strumień cyny sterowany CNC – jak robot chirurg, dysza podjeżdża dokładnie pod wybrany pin.

Lutowanie selektywne Źródło: linkedin

3. Lutowanie punktowe za pomocą druta – specjalny podajnik wysuwa drut, podgrzewamy i gotowe. Podgrzanie może nastąpić poprzez użycie lasera lub grota lutownicy.

Lutowanie półautomatyczne robotem Źródło: https://connectorsupplier.com/

Każda metoda ma swoje zastosowanie – od prostych serii po bardziej złożone projekty automotive, gdzie każdy pin ma znaczenie.

Topnik

Topnik w procesie lutowania selektywnego jest jednym z najistotniejszych elementów procesu, do od niego będzie zależała jakość połączenia cyny z wyprowadzeniami komponentów THT.

• Rodzaj nanoszenia:
• Micro-drop (mikro-kropelki) – ekstremalna precyzja, topnik ląduje dokładnie w miejscu styku pinu i pada. Idealne, gdy trzeba lutować złącza blisko komponentów SMT.
• Spray – bardziej „rozpylone” podejście, szybkie i dobre przy większych powierzchniach. Wadą jest to, że można rozpylić za szeroko i zabrudzić sąsiednie obszary.
• Kontrola ilości: zbyt mało = brak zwilżenia i zimny lut, zbyt dużo = pienienie, zanieczyszczenia, późniejsze problemy w testach elektrycznych.
• Wybór topnika: RMA, no-clean czy wodnorozpuszczalny – decyzja zależy od tego, czy mamy proces mycia PCB i jak wymagają normy klienta (np. automotive mocno patrzy na pozostałości).

Nakładanie topnika

Źródło: https://www.youtube.com/watch?v=pskBZoD-i4g

Podgrzewanie wstępne

Płytka PCB i elementy przewlekane mają swoją bezwładność cieplną. Jeśli „rzucisz” je na falę 300°C bez przygotowania, skończy się to szokiem termicznym i pękającymi lutami.

• Cele podgrzewania:
• aktywacja topnika,
• wyrównanie temperatury całej płytki,
• mniejsze ryzyko wygięć laminatu (tzw. banana),
• ochrona komponentów wrażliwych termicznie.
• Metody:
• IR (podczerwień) – szybkie nagrzewanie, ale trzeba uważać na równomierność.
• Konwekcja (gorące powietrze) – wolniejsze, ale bardziej równomierne.
• Parametry: typowo podnosimy temperaturę płytki do ok. 100-140°C przed wejściem na falę. Zbyt nisko = problemy z rozpływem cyny. Zbyt wysoko = nadmierna aktywacja topnika i utlenianie.

Podgrzewanie – aktywacja topnika

Źródło: https://www.youtube.com/watch?v=pskBZoD-i4g

Fala / strumień cyny

Kluczowy etap procesu.

• Temperatura: zwykle 250-300°C, w zależności od stopu cyny (SnPb czy lead-free). Każdy stop ma inną temperaturę topnienia i inne zwilżanie.
• Czas kontaktu:
• za krótko = brak pełnego wypełnienia otworu,
• za długo = przegrzanie padu, uszkodzenie maski albo komponentu.
• typowo to 2-4 sekundy na pin.
• Prędkość przesuwu: jeśli dysza idzie za szybko – cyna nie zdąży się rozpłynąć. Za wolno – ryzyko mostków.
• Kształt i wysokość fali:
• za niska = brak styku z pinem,
• za wysoka = zalewanie sąsiednich pól.
• Czystość kąpieli: tlenki i zanieczyszczenia powodują brak zwilżenia i wyciąganie „ogonów” z cyny. Regularne czyszczenie to mus.

Lutowanie

Źródło: https://www.youtube.com/watch?v=pskBZoD-i4g

Programowanie ścieżek

Selektyw działa jak maszyny CNC – musi dokładnie wiedzieć, gdzie postawić dyszę, w jakiej kolejności i z jakimi parametrami.

• Ścieżki ruchu:
• kolejność lutowania ma znaczenie – jeśli zaczniesz od gęstych złączy, możesz utrudnić dostęp do dalszych pól.
• trzeba uwzględnić czas na ponowne nałożenie topnika, jeśli płyta jest duża.
• Profile procesowe:
• różne komponenty = różne parametry (np. masywne złącza wymagają dłuższego kontaktu z falą niż cienkie piny).
• Kompensacja offsetów: minimalne przesunięcie panelu o 0,2 mm i maszyna lutuje obok pada. Dlatego fixturki i kamery korekcyjne są naprawdę bardzo przydatne.
• Optymalizacja czasu cyklu: dobre oprogramowanie pozwala skrócić ścieżki i łączyć operacje (np. lutowanie dwóch pobliskich pinów jednym ruchem).

Programowanie ścieżek

Źródło: https://www.youtube.com/watch?v=pskBZoD-i4g

Produkcja mieszana SMT + THT

Dzisiejsze PCB to kombinacja różnych technologii, większość komponentów na płytkach to SMD i przechodzi przez lutowanie rozpływowe w piecu. Zawsze natomiast znajdzie się parę elementów przewlekanych (THT) – złącza, transformatory, kondensatory elektrolityczne.

Problem?

• Fala lutownicza zalałaby wszystko, łącznie z delikatnymi elementami SMD.
• Ręczne lutowanie? Za wolne i zbyt duże ryzyko różnic jakościowych między operatorami.

Lutowanie selektywne rozwiązuje to tak, że lutuje tylko THT, zostawiając resztę w spokoju.
Dzięki temu nie trzeba kombinować z maskami na falę ani dorzucać całej armii wyspecjalizowanych monterów z lutownicami w rękach.

Branże wymagające niezawodności

Nie każda branża potrzebuje lutowania selektywnego. Ale tam, gdzie awaria może kosztować życie albo ogromne pieniądze, powtarzalność i precyzja są kluczowe.

• Automotive – płytki w sterownikach silnika, systemach ABS, poduszkach powietrznych. Tu nie ma miejsca na zimny lut, bo to może oznaczać wypadek.
• Medycyna – aparatura do monitorowania pacjentów, defibrylatory, sprzęt chirurgiczny. Każdy błąd w lutowaniu = ryzyko życia pacjenta.
• Przemysł ciężki i energetyka – sterowniki maszyn, falowniki, przetwornice mocy. Tam płytki często pracują w wysokich temperaturach i przy dużych prądach, więc lut musi być idealny.

Dlaczego nie ręczne? Bo ręka człowieka będzie miała bardzo duży problem aby powtórzyć 500 razy ten sam pin z identycznym kątem, ilością cyny i czasem kontaktu. Maszyna – nie.

Komponenty THT blisko komponentów SMD

Źródło: https://blog.thedigisource.com/

Zastępstwo dla ręcznego lutowania

Kiedy produkcja ma:

• kilkaset płytek dziennie – ręczne lutowanie staje się wąskim gardłem,
• dużo pinów THT – np. złącza wielorzędowe,
• wymagania jakościowe (IPC-A-610 klasa 2/3) – ręczne lutowanie generuje za dużo braków.

Wtedy selektyw jest odpowiedzią na nasze problemy. Szybki, powtarzalny, genialny jakościowo, szybko programowalny.

Dodatkowy plus – traceability. W zależności od konfiguracji maszyna zapisuje logi procesu (temperatury, czasy, parametry). Jeśli klient po roku zgłasza reklamację, możesz udowodnić, że płytka była lutowana poprawnie. Przy ręcznym lutowaniu masz co najwyżej podpis operatora na karcie kontroli.

Inne przykłady zastosowań

• Aerospace – satelity, systemy komunikacyjne. Każdy gram się liczy, a jakość musi być najwyższa.
• Telekomunikacja – duże routery i przełączniki z setkami złączy.
• Produkcja kontraktowa (EMS) – gdzie różne projekty klientów mieszają się w jednej fabryce, a selektywne daje elastyczność i szybką zmianę programu.

Podsumowując: lutowanie selektywne stosuje się wszędzie tam, gdzie trzeba połączyć precyzję, powtarzalność i opłacalność. Jeśli projekt ma tylko kilka THT na małych seriach – manualne jeszcze się broni. Ale przy skali przemysłowej i wymaganiach jakościowych lutowanie selektywne jest bezkonkurencyjne.

Lutowanie selektywne jest jednym z przyjemniejszych procesów specjalnych w świecie elektroniki. Dzięki bardzo precyzyjnemu sterowaniu maszyną, jesteśmy w stanie podjeżdżać dyszą z cyną bardzo blisko sąsiadujących komponentów bez ich uszkadzania czy wymywania. Co więcej, proces w odróżnieniu od fali lutowniczej może być wykonywany bez specjalnie zaprojektowanych narzędzi. Jeżeli chodzi o szybkość procesu, również jest ona na wysokim poziomie w zależności od konfiguracji maszyny. Sam osobiście bardzo cenie sobie możliwość szybkich prototypowych „wejść” na selektyw, daje to firmom ogromną elastyczność. 

Pozdrawiam Łukasz Szyndrowski